maria josé - introdução ao estudo das barragens de terra parte 1

Con struc

tria Jos C. F? Alves de Lima

SFAO TRANSVERSAL DA BARIRAGEM DE T E R W

ORIENTAO PARA O PREDIMENSIONAMENTO DA SEO TRANSVERSAL DE UMA BARRAGEM DE TERRA

O projeto de uma barragem de terra envolve a soluo mais econmica, obtida por tentativas, satisfazendo, com o fator de segurana adequado, as seguintes condioes bsicas:

a) O aterro deve estar seguro contra o transbordamento, durante a ocorrncia da descarga de cheia do projeto, pela adoo de vertedouros com suficiente capacidade de vazo.

b) Os taludes do aterro devem ser estveis durante a construo e sob quaisquer condies de operao do reservatrio.

c) O aterro deve ser projetado de modo que no submeta as fundaes a tenses excessivas.

d) A percolao atravs o aterro, fundao e ombreira deve ser controlada a fim de que no haja eroso interna nem perda d'gua excessiva prejudicando a obra.

e) O aterro no deve sofrer transbordamento pela ao da onda. f ) O talude de montante deve ser protegido contra a eroso por ao da onda; a crista e o

talude de jusante contra eroso devida ao vento e a chuva.

2) TERMINOLOGIA TECNICA DE BARRAGENS Apresentamos a seguir os termos mais usualmente empregados em barragens, de acordo com a Comisso Tcnica de Nomenclatura do Comit Brasileiro de Grandes Barragens.

(Construo Pesada - Fevl76)

Altura acima do terreno natural - Altura desde o ponto mais baixo do terreno natural, (Height above ground Level) geralmente no leito do rio, at a crista da barragem. Altura da barragem (Height of dam)

- Altura acima do ponto mais baixo da fundao. O mesmo que Altura Estrutural da Barragem.

Altura da trincheira de vedao - Distncia entre a parte mais baixa da superfcie e o (Height of Foundation) fundo da trincheira, desde que este no tenha menos

I que 10 metros de largura. O termo "Profundidade da I Trincheira" preferido em muitos pases. I rea de drenagem I (Drainage area)

- Em relao a uma barragem, a rea na qual qualquer precipitao nela incidente se dirige ao ponto onde est localizada (O mesmo que Bacia Hidrogrfica e Bacia de Drenagem).

OBRAS DE TERRA BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEO TRANSVERSAL - 2

rea do reservatrio (Reservoir area)

- rea da superfcie do reservatrio medida em um plano horizontal e em uma elevao correspondente ao nvel mximo de armazenamento do reservatrio. No esto includas as reas inundadas referentes a superelevao e remanso.

Bacia de Dissipao - Bacia, canal, reservatrio natural ou artificial, formados (Stilling Basin) a jusante da barragem principal, normalmente por meio

de uma estrutura submersa ou pequena barragem auxiliar, com o objetivo de proteger o leito do no contra a eroso provocada pelas descargas do vertedor ou de outros dispositivos.

Barragem (Dam)

- Obra artificial construda atravs de um curso d'gua, para acumulao, controle e desvio de gua. Designam-se como obras secundrias, as barragens que completam o fechamento de um reservatrio nas suas zonas perifricas.

Barragem de Aterro Compactado - Macio de terra ou rocha, no qual o material (Rolled Fill Dam) colocado em camadas e compactado com uso de

equipamento de compactao apropriado.

Barragem de Terra (Earthfill dam)

- Barragem construda basicamente de argila compactada, com sees homogneas ou zoneadas e contendo mais do que 50% de terra.

Barragem de terra de seo homognea - Macio construdo apenas de material argiloso, mais (Homogeneous earth-fill dam) ou menos uniforme, exceto os drenos internos ou

tapetes drenantes e enrocamentos de proteo.

Barragem de terra zoneada (Zoned earthfill)

-

Tipo de barragem de terra cuja seo transversal constituida de zonas de materiais selecionados com diferentes graus de porosidade, permeabilidade e densidade.

Borda livre - Distncia vertical entre o nvel do coroamento da (Freeboard) barragem e cada um dos nveis caractersticos do

armazenamento d'gua, tais como nvel mximo de cheia e nvel normal de reteno, denominados, respectivamente, Borda Livre Mnima e Borda Livre Normal.

Coroamento t

Borda Mlnirna 1 1 : gorda NO' rrnal I


Base da Barragem (Base of dam)

Canal de descarga (Sluice way)

- rea da fundao da parte mais baixa do corpo principal da barragem, isto , a rea de fundao, excluindo as ombreiras.

- Dispositivo de passagem de gua, atravs ou em torno de uma barragem. Termo aplicado a um canal de escoamento livre ou calha.

Comprimento de Crista - Distncia entre as extremidades da barragem, medida (Length of dam) no coroamento. Inclui-se o vertedor, tomada d'gua,

estruturas para navegao e outras, desde que formem estruturas com a barragem.

Comprimento do reservatrio (Length of reservoir)

Coroamento da barragem (Crest of dam) Divisor de guas (Cathment boundaiy) Eixo da Barragem

Enrocamento de proteo (R~P rap)

Ensecadeira (Cofferdam)

Estrada da crista (Roadway of dam)

- Distncia mxima medida da barragem at a cabeceira do reservatrio, aproximadamente horizontal, seguindo a linha de centro do curso do rio principal, considerando-se o reservatrio no nvel normal de reteno. Para reservatrios que tm cursos d'gua com mean- dros e com margens bastante irregulares, considera-se como comprimento a mais prtica e direta distncia de barco.

- Termo usado para significar a parte mais alta da barragem, excluindo-se os parapeitos, corrimos, etc.

- Linha que limita uma bacia hidrogrfica.

- Plano vertical ou superfcie curva de referncia entre as ombreiras, em tomo do qual a barragem projetada e locada. A locao deste plano e referncia pode diferir entre os projetistas de barragens.

- Camada de grandes pedras, blocos premoldados ou outro material adequado, colocados nos taludes de montante de um macio ou ao longo de um curso d'gua para proteo contra a a@o de ondas ou correntes.

- Estrutura temporria, isolando ou protegendo toda a parte da rea de construo, a fim de que esta possa ser executada a seco.

- Parte da crista da barragem preparada para trfego de veculos.


Fetch - a distncia na qual o vento pode atuar sobre as limite do reewatrio guas. Geralmente definida pelo ponto mais a

, montante at a estrutura, na direo do vento.

, ,

/

. - ,

/

/

- -

.

Filtro (Filter zone)

Fundao de uma barragem (Foundation of a dam)

Largura da base (Base thickness)

Largura da Crista (Top width)

Margem do reservatrio (Reservoir shore) Muro contra ondas (Wave wall)

Nvel mximo de cheias (Maximum water level)

Nvel mnimo de operao (Mnimum operating level)

- Zona do macio constituda de material granular adja- cente a zona impermevel, para prevenir a migrao de material de uma zona para outra. AS vezes as zonas de transio so tambm providas para agir como drenos.

- Material natural indeformado abaixo da superfcie de escavao sobre o qual a estrutura da barragem colocada. O termo fundao inclui qualquer tratamento tal como estacas de vedao, cortinas e septos de vedao, excludas as trincheiras.

- Largura mxima de projeto de uma barragem na sua base, medida horizontamente entre as faces de montante e jusante, perpendicular ao eixo. Excluda qualquer estrutura para dispositivo de descarga ou rgo semelhante.

- Largura da parte superior da barragem, definida pela distncia horizontal entre as faces de montante e jusante, medida perpendicularmente ao eixo.

- rea de terreno imediatamente acima e ao longo da linha d'gua do reservatrio.

- Muro colocado no lado de montante ao longo da crista de barragens ou sees de barragem no vertedora, para refletir ondas.

- Nvel mais elevado da superfcie de gua para o qual a estrutura foi projetada. geralmente fixado com o nvel correspondente a sobrelevao mxima, quando da ocorrncia da cheia de projeto.

- Menor nvel para a qual o reservatrio pode ser rebaixado mantendo-se as condies de operao para as quais o aproveitamento foi projetado, tais como gerao de energia ou irrigao. Abaixo deste nvel o reservatrio pode ser eventualmente rebaixado por outros dispositivos de descarga.

OBRAS DE TERRA I

Nvel normal de reteno (Normal top water Ievel)

Ncleo impermevel (Impewious core or Zone)

Ombreira (Abutment) Ombreira direita (Right abutment) Ombreira esquerda (Lefi abutment)

P de jusante (Toe of dam) P de montante (Hell of dam) Percolao (Seepage) Ponto mais baixo da fundao (Lowest Point)

Proteo de taludes (Slope protection)

Superelevao (Surcharge)

Coroamento c,

1 \ f Borda Mnima

1

BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEO TRANSVERSAL - 5

- Elevao mxima de armazenamento do nvel de gua correspondendo ao nvel mximo do resewatrio para o qual a barragem foi projetada, sem considerar o efeito de superelevao.

- Trecho de uma barragem de terra zoneada ou de enrocamento, construido de material de baixa permeabilidade a fim de limitar a percolao atravs do macio.

- o terreno natural situado na encosta do vale e que constitui o apoio para a fundao da barragem.

- Ombreira situada no lado direito de um observador, quando este est olhando para jusante.

- Ombreira situada no lado esquerdo do rio considerando-se o observador olhando para jusante. a ombreira situada na margem esquerda.

- Encontro do paramento de jusante com a superfcie da fundao.

- Encontro do paramento de montante com a superfcie da fundao.

- Fluxo ou movimento de gua atravs de uma barragem, de sua fundao ou ombreiras.

- Parte mais baixa da escavao para a fundao da barragem, incluindo as partes em trincheira, desde que o fundo da trincheira tenha menos que 10 metros de largura. So excluidos os meios de vedao, cortina de estacas e poos isolados da escavao, os quais no so representativos da fundao da barragem.

- Proteo dos taludes da barragem contra ao de ondas ou outros agentes erosivos. Pode ser de vrias formas, tal como rip-rap, lajes de concreto, solo estabi- lizado com cimento, concreto asfltico, cascalho, malha de ferro ou vegetao.

- Volume num reservatrio situado entre o nivel normal de reteno e o nvel mxima de cheia. Pode tambm ser expresso pela dimenso vertical. O volume de gua relativo a sobre-elevao no pode ser retirado no reservatrio e escoar pelo vertedor at que o nvel normal de reteno seja atingido.

OBRAS DE TERRA BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEO TRANSVERSPL - 6

Trincheira de Vedao (Cut-off trench)

Tapete de Montante (Upstream Blanket)

Vertedor (Spillway)

Vertedor de Tulipa (Moming Glory Spillway)

Volume til (Usable storage)

- Trincheira escavada abaixo do nvel geral da base de uma barragem para ligar a zona impermevel da mesma a uma camada impermevel mais profunda.

- Camada de material impermevel colocada no terreno a montante da barragem, para controlar a percolao de gua atravs da fundao ou sobre o parametro de montante no caso de uma barragem em vedao por montante.

- Soleira, conduto, tnel, canal ou outra estrutura projetada para descarregar gua do reservatrio, contro- lando os seus nveis. O vertedor destinado principalmente a descarregar vazes de enchente mas tambm pode ser utilizado para descarregar gua para outros objetivos. O vertedor pode ser sem ou com comportas. No caso de se usar comportas, o vertedor ser denominado Vertedor Controlado.

- Vertedor em forma circular ou de tulipa, normalmente isolado no reservatrio, que conduz, com forte declivi- dade, as guas que sobem acima do seu topo. assim chamado pela semelhana de sua forma com uma tulipa.

- Parte do volume do reservatrio situado acima do nvel do mais baixo dispositivo de descarga, propiciando a utilizao do reservatrio para outras finalidades que a da gerao de energia.

OBRAS DE TERi7A BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEAO TRANSVERSAL - 7

SEO TRANSVERSAL E FUNDAO Largura da crista -----

da gem

C Largura da base

Cortina de injep3o

RESERVATRIO E OBRAS ACESSRIAS

__--.

, -.

I '. ----- ' ,*

-- Vertedoura auxiliar

. Eixo da Barragem

ouro - Comprimento

,

Bacia Hidrogrhfica

ORRAS DE TERRA BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SECO TRANSVERSAL - 8

3) DIMENSIONAMENTO DA SEO DA BARRAGEM 3.1 - Segurana ao Transbordamento

Uma barragem de terra ou enrocamento incapaz de trabalhar como estrutura vertedora sem um alto risco de colapso por eroso.

Devido as implicaes catastrficas de uma rotura deste tipo, a probabilidade de sua ocorrncia deve manter-se muito baixa.

Nessas condies, a descarga de cheia para o projeto de uma barragem de terra deve ser maior do que o adotado em uma barragem de concreto. A segurana contra o transbordamento durante uma mxima cheia obtida atravs um balanceamento entre o volume do reservatrio e a capacidade do vertedouro.

Por outro lado, quando o vento comea a soprar sobre uma superfcie de guas calmas, ocorre uma transferncia de energia do vento para a superfcie da gua e h a formao de ondas. A elevao da gua contra a barragem depender ento da altura de onda formada pelo vento, da profundidade da gua em frente a barragem e da geometria e material da face de montante da barragem.

Assim, alm da ateno especial no dimensionamento dos rgos estravasores de cheias como j mencionado, h que adotar ainda uma folga ou borda livre conveniente.

Para a fixao da borda livre de uma barragem, considera-se o nvel mximo de operao da barragem e tem-se como objetivo, ao determinar esse valor:

evitar o transbordamento pela ao das ondas, que pode coincidir com a mxima enchente;

fornecer um fator de segurana contra imprevistos tais como recalque da barragem, ocorrncia de uma cheia maior do que a prevista no projeto ou mau funcionamento do vertedouro, acarretando um nvel d'gua mais alto do que o previsto.

A determinao do valor da borda livre baseia-se na previso da altura e ao das ondas. Essa previso, entretanto, no baseada em processos matemticos precisos. 0 s melhores recursos disponveis apoiam-se em experincias passadas, extrapoladas por vrios processos matemticos e estatsticos.

A borda livre pode ser dada pela expresso: v,' B = o,75Ho + - (1) 2g

em que H. a altura da onda V. a sua velocidade de propagao.

A altura das ondas H,, geralmente estimada atravs frmulas empricas em funo da velocidade do vento e do fetch.

As frmulas de Stevenson, modificadas por Molitor, usadas h muitos anos, e tm as expresses:

onde: H0 - altura da onda F - fetch U - velocidade do vento, segundo o fetch (m) (km) (kmlh)

ORRAS DE TERRA BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SECO TRANSVERSAL - 9

Quando o fetch excede 20 km a frmula pode ser simplificada para

Recomenda-se a instalao de um anemmetro no local da obra, colocado a uma altura de 10m acima do futuro nvel do reservatrio e exposto ao mximo fetch.

S se deve levar em conta os ventos com ocorrncia provvel durante o perodo de guas mximas no reservatrio.

A direo do vento e do fetch adotado tambm devem se correlacionar. Para ondas com altura de 0,3 a 2m, a velocidade de propagao pode ser determinada pela

frmula de Gaillard: V = 1,5+2H0 (4)

em que V expressa e mls e H,, em metro

Para o projeto de pequenas barragens de terra, o "Bureau of Reclamation" indica as folgas normais e mnimas a adotar, considerando uma proteo em enrocamento e baseadas respectivamente, em velocidades do vento de 50 a 100 milhas por hora.

TABELA 1

3.2 - Coroamento

A largura do coroamento de uma barragem depende de vrios fatores tais como:

Folga Mnima (metro)

0,9 1 2 1 3 1 3 2,1

"Fetch"

(km) 1,6

1,6 4 8 8,O 16,O

caractersticas dos solos utilizados no macio;

Folga Normal (metro)

1 2 1,5 1 3 2,4 3 9

comprimento mnimo da linha de percolao atravs o aterro, para o nvel de reteno normal do reservatrio; altura e importncia da obra; facilidade de construo;

Alm desses fatores, muitas vezes a largura depende das caractersticas de uma estrada que passa sobre a barragem.

Por razes construtivas, a largura do coroamento no deve ser inferior a 5m. O estabelecimento de tal largura baseado em casos precedentes, recorrendo-se as frmulas empricas, entre as quais a recomendada pelo Bureau of Reclamation.

OBRAS DE TERRA BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SECO TRANSVERSAL - 10

onde H altura da barragem em metros. A fim de se facilitar a drenagem superficial, deve-se dar ao coroamento, transversalmente, uma ligeira sobrelevao (pelo menos 10 cm) ao longo do eixo ouinclin-lo totalmente para montante.

3.3 - Inclinao dos Taludes

Em princpio, praticamente, qualquer material ou conjunto de materiais pode servir para a construo de uma barragem de terra.

Entretanto. o proieto do aterro deve ser elaborado de acordo com o tipo de fundaco em causa . . .

que, juntamente com as caracterstticas mecnicas de resistncia, ~om~ressibilidade e permeabilidade dos materiais terrosos disponveis, governaro a geometria do macio.

No h regras especficas para a seleo da inclinao dos taludes externos. O processo geral fazer uma escolha com base na experincia pessoal com barragens semelhantes e modific-la de acordo com os resultados da anlise de estabilidade.

O Bureau of Reclamation (Design of Small Dams) elaborou tabelas que podem orientar a escolha inicial da inclinao dos taludes de pequenas barragens de terra compactada, considerando- se como tal aquelas cuja altura mxima no exceder 15 metros.

Reproduzimos a seguir algumas das tabelas do Bureau of Reclamation

Na tabela 2 apresentam-se as inclinaes dos paramentos de montante e de jusante para o caso de barragens homogneas, sobre fundaes estveis.

OBRAS DE TERRA BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SECO TRANSVERSAL - 11

TABELA 2

INCLINAODOSTALUDESDEBARRAGENS HOMOGNEAS SOBRE FUNDAOES ESTVEIS

Nesta tabela consideram-se os casos do reservatrio poder ou no ser sujeito a esvaziamenos rpidos, admitindo-se como tal os que apresentam velocidades mnimas de descida do nvel, de 15cm por dia.

O projeto de uma barragem do tipo zoneado torna-se econmico quando h uma variedade de solos disponveis, pois permitem o uso de taludes mais ngremes, com uma conseqente reduo no volume total do material a ser empregado no macio.

Jusante

(permevel) 2 : 1

2,5 : 1

2,5 :I

(permevel) 2 : 1

2,5 : I

2,5 :I

Sujeitas a esvaziamento

rpido

No

Sim

O esquema de zoneamento pode dividir a barragem em trs ou mais sees, dependendo do intervalo de variao das caractersticas e gradao dos materiais de construo disponveis.

0 s materiais permeveis e portanto com melhores condies de estabilidade so colocados nas faces de montante e jusante, permitindo a dissipao de presses no abaixamento rpido e evitando o aumento das presses de percolao e abaixamento da linha de saturao, mantendo-a no interior do macio.

Smbolo do grupo do solo

GW, GP, SW, SP

GC, GM, SC, SM

CL, ML

CH MH

GW, GP, SW, SP

GC, GM, SC, SM

CL, ML,

CH, MH

As inclinaes necessrias para a estabilidade de uma barragem zoneada so funes das dimenses relativas do ncleo impermevel e das abas permeveis.

Montante

No adequado

2,5 : 1

3 : 1

3,5 : 1

No adequado

3 : 1

3,5 : 1

4 : 1

OBRAS DE TERRA BARRAGENS - ANTEPROJETO DA SEAO TRANSVERSAL - 12

A figura seguinte mostra o esquema de zoneamento de uma barragem para as seguintes situaes:

a) barragem construida sobre fundao impermevel ou permevel completamente atravessada por uma trincheira de vedao. Neste caso temos um ncleo denominado de ncleo mnimo com largura na base 1-1.

b) barragem construida sobre fundao permevel sem "cut-off". A largura 2-2 representa a dimenso de um ncleo mnimo para esta situao.

c) o ncleo mximo para uma barragem do tipo zoneado (3-3). Se o ncleo for menor do que o mnimo indicado em cada condio, a barragem considerada

do tipo diafragma, se o ncleo mais largo do que o valor indicado como mximo, as zonas permeveis no colaboram na estabilidade do aterro e a barragem ser considerada homognea.

A tabela 3 apresenta inclinaes recomendadas para pequenas barragens zoneadas com ncleos mximos e mnimos.

Tambm neste caso os valores da tabela devem ser tomados como ponto de partida, pois tem- se notcias de barragens que funcionam adequadamente com ncleo de largura L = 0,30 a 0,50 H,, sendo H, a altura da gua.

1 - 1 Ncleo mnimo sobre fundaes impermeveis ou permeveis com cut-off

2 - 2 Ncleo mnimo para barragens sobre fundaes permeveis sem cut-off

3 -3 Ncleo mximo


Inclinaes dos taludes de barragens zonadas sobre fundaes estveis.

TABELA 3

No caso de fundaes constitudas por solos finos saturados, com espessuras maiores que a altura do aterro, podem seguir-se as recomendaes contidas na figura abaixo e tabela 4.

Tipo

Ncleo Mnimo

Ncleo Mximo

Ncleo Mximo

? -1nclinao dos taludes no inferior a 3:l

Sujeitas a esvaziamento

rpido

Condio no Crtica

No

Sim

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

....................

................

............

Aterro projetado

Vala de ligaio dreno de p

Solos dos macios laterais

Enrocamento; GW, GP

SW (seixo) SP (seixo)

Idem

Idem

SOLOS FINOS. SATURADOS

Montante

x : I

2 : 1

2 : 1

2,25 : 1

2,5 : 1

3 : 1

2,5 : 1

2,5 : 1

3 : 1

3,5 : 1

Solos do ncleo

GC, GM

SC, CM

CL, ML

CH, MH

GC, GM

SC, CM

CL, ML

CH, MH

GC, GM

SC, CM

CL, ML

CH, MH

Jusante

y : l

2: 1

2 : 1

2,25 : 1

2,5 : 1

3 : 1

2 : 1

2,25 : 1

2,5 : 1

3 : 1


TABELA 4

INCLINAES DOS TALUDES DE ATERROS ESTABILIZADORES

Consistncia

Mole

Mdia

Dura

Rija

Nmero mdio de golpes no ensaio de penetrao (SPT) relativo a uma prof. de funda@o igual a altura da barragem

4 ---

4a10

11 a 20

> 20

Smbolo do grupo do solo

requer anlise SM

SC

ML

CL

MH

CH

SM

SC

ML

CL

MH

CH

SM

SC

ML

CL

MH

CH

Inclinao dos taludes do aterro estabilizador para diversas alturas da barragem.

15m 12m 9 m

3 : 1

4 : 1

4 : 1

4 : 1

4,5 : 1

7 : 1

3 : l

3,5 : 1

3,5 : 1

3,5 : 1

4 : 1

6 : 1

3 : 1

3 : 1

3,5:1

3 : 1

3 : 1

5,5:1

especial 4 ,5 :1

6 : 1

6 : 1

6,5:1

7 : 1

13: 1

4 : 1

5,5 : 1

5,5 : 1

6 : 1

6,5:1

1 1 : l

3,5:1

5 : 1

5 : 1

5 : 1

5 ,5 :1

1 0 : l

4 : l

5 : 1

5 : 1

5 : l

5,5 : 1

1O : l

3,5:1

4,5 : 1

4,5 : 1

4,5 : 1

5 : l

9 : l

3 : l

4 : 1

4 : 1

4 : 1

4 : l

8 : l

6 m ---

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3,5 : 1

4 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : l

3 : 1

3 : 1

3 : l

3 m

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1

3 : 1


4) DRENAGEM INTERNA O sistema de drenagem interna constitui o elemento vital na segurana de uma barragem de

terra e deve ser dimensionado de modo a atingir os seguintes objetivos: a) reduzir a presso neutra na rea de jusante da barragem e portanto aumentar a estabi-

lidade de jusante contra o deslizamento; b) controlar a percolao da gua na face de jusante da barragem de tal modo que a gua

no carregue qualquer partcula do macio, isto , que no se desenvolva o fenmeno de "piping".

A eficincia do dreno ou filtro na reduo das presses neutras depende em princpio da sua localizao e extenso.

Por outro lado, o "piping" ou entubamento controlado construindo-se os drenos com um material de granulometria adequada a funcionar como filtro do solo constituinte do macio.

Existem numerosos tipos de sistemas de drenagem interna em barragens de terra, sendo que o tipo a ser adotado para uma obra determinada depender de diversos fatores relativos s permeabilidades do macio e da fundao bem como das caractersticas dos materiais drenantes disponveis. Sero apresentados, a seguir, em termos muito sucintos, os principais tipos geralmente adotados.

As barragens homogneas mais antigas apresentam esse tipo de drenagem para evitar a diminuio de resistncia do material no p do talude. Empregam-se apenas em barragens de pequena altura, constitudas de solos homogneos de baixa permeabilidade.

Podem ser dos tipos:


Recomenda-se que o dreno de p penetre um pouco no terreno de fundao porque o contacto da barragem com a fundao um caminho preferencial.

O dreno de p pode ser utilizado associado no trecho final de um tapete drenante como mostrado na figura 6.

4.2 - Drenos Longitudinais e Tapetes Drenantes

O mais econmico tipo de dreno para uma barragem o constitudo por um conduto perfurado envolvido por filtros de transio, posicionado longitudinalmente com relao ao eixo da barragem, a meia distancia entre o eixo e o p de jusante. Esse sistema s deve ser adotado no caso da barragem ser apoiada sobre uma fundao relativamente uniforme e do macio compactado ser constitudo por solos de mesmas permeabilidade vertical e horizontal.

Quanto mais elevado o grau de estratificao do macio, representado pela relao entre a permeabilidade horizontal k, e a permeabilidade vertical k,, mais extenso deve ser o dreno, chegando-se no limite do tapete drenante que se estende at ao p do talude de jusante da barragem.

O comprimento do tapete filtrante basear-se- na posio que se pretende para a linha fretica, no interior do macio, devendo-se notar que a descarga percolada aumenta com o comprimento do tapete. Esse aumento, entretanto, recompensado pela melhoria na estabilidade, pois mantem-se seco grande parte do paramento de jusante da barragem.


A tentativa inicial na escolha da posio do tapete drenante poder ser a recomendada por Creager, adotando um comprimento de 0,3 a 0,5 L, sendo L a distncia do eixo da barragem ao p do talude de jusante.

Uma das principais desvantagens do tapete drenante horizontal resulta do fato de que o macio de uma barragem de terra tende a ser estratificada (k,, > k,) como j mencionado. Pode ainda, ocasionalmente, acontecer que camadas horizontais muito mais permeveis do que a mdia do material empregado sejam colocadas no macio, de modo que, a despeito do dreno horizontal, a gua pemla horizontalmente na supericie de uma camada relativamente impermevel e surge no talude do jusante.

4.3 - Cortina Drenante

Este tipo de drenagem constitudo por um dreno vertical posicionado ligeiramente a jusante do eixo da barragem e prolongado para jusante por um tapete drenante horizontal. Foi adotado pela primeira vez por K. Terzaghi para a barragem de Vigrio no Brasil (atualmente denominada Barragem Terzaghi, em homenagens ao projetista).

O dreno verical tem a grande vantagem de interceptar qualquer fissurao do macio e de coletar os fluxos que poderiam percolar atravs de tais fissuras. So geralmente projetados com uma espessura variando de 0,9 a 2,O m, sendo que, na maioria dos casos, essas espessuras so fixadas por motivos de ordem construtiva.

Em vrias barragens mais recentes de maiores alturas, a cortina drenante tem forte inclinao para montane ou para jusante.

Com a inclinao para montante, tem-se a vantagem de eliminar riscos de trincas longitudinais na crista no caso da barragem ser apoiada sobre uma fundao rgida.

Por outro lado um dreno inclinado para jusante apresenta a vantagem de melhorar as condic6es de estabilidade do talude de montante durante o rebaixamento rpido do reservatrio.

Seguem-se exemplos de vrias solu5es que podem ser adotadas em cortinas drenantes


Tipos de sistemas de drenagem interna de barragens com cortinas drenantes

OBRAS DE TERRA BARRAGENS - WTEPR.OJETO DA SEO TRA-NSVERS-AL - 19

5 - PROJETO DE FILTROS NA A gua que percola atravs

- - - - de uma barragem de terra e suas fundaes pode carregar pai?- culas que estejam livies e no

/' regressivo ofeream resistncia ao carrea- '-1- mento. Nas seguintes situaes ocor-

reram danos ou o colapso de uma barragem de terra por car- reamento de material e a ocorrncia do fenmeno do piping ou

entubamento regressivo. A gua emergindo do talude de jusante saturar, progressivamente, a zona de jusante da

barragem, causando o amolecimento e o enfraquecimento da mesma e poder dar incio ao fenmeno da eroso interna ou piping.

As partculas da face do paramento de jusante so as primeiras deslocadas, deixando sem proteo as partculas internas adjacentes que tambm sero deslocadas a seguir.

Forma-se, acompanhando a linha de saturao, um tubo que pode levar a barragem a ruptura. Zona I - lrn~ermevel

As foras de percolao nas 'Ona * - faces de descarga AB e BC tendem a

mover as partculas de solo erodveis para a zona 2, se tiverem valor suficientemente elevado e a zona 2, vazios largos o bastante para deixar passar as partculas de solo da zona 1 e do terreno de fundao.

Areia e siite saturado presumido Ida esquerda para a direita)

. .=...

subterrneo que, finalmente, atingiu o fundo do reservatrio.

O aparecimento frequente de gua borbulhando e abatimentos do terreno, junto ao p de uma barragem, levaram a colocao de um filtro de pedras da ordem de 7,5cm de dimetro. No obstante, aps um perodo de 6 anos a barragem, subitamente, rompeu-se provavelmente devido ao desenvol- vimento progressivo de um tubo

Esta ruptura poderia ter sido evitada se, no local do filtro de pedra que no foi eficaz na reteno das partculas erodveis da fundao, tivesse sido colocado um filtro com a graduao adequada.

O fenmeno do piping pode ser evitado pela introduo de filtros. Eles constituem zonas relativamente delgadas, o que exige que sejam perfeitamente dimensionados, geomtrica e granulome- tricamente na fase de projeto com a construo bem controlada.


5.1 - CRITRIOS BSICOS DE FILTROS A granulometria dos filtros deve atender a duas exigncias principais quanto a:

Eroso Interna 0 s vazios existentes nos filtros em contato com solos erodveis devem ser suficientemente pequenos para evitar que as partculas desses solos sejam carreadas atravs do filtro.

Permeabilidade 0 s vazios existentes nos filtros, em contato com solos a serem protegidos,

devem ser suficientemente grandes para que a permeabilidade do filtro seja maior que a do o material protegido ou material de base, a fim de permitir o livre escoamento das guas infiltradas.

As funes granulomtricas dos filtros foram definidas por K.Terzaghi desde 1929 e foram enquadradas em regras precisas por Bertram em 1940; a partir de ento vem sendo aperfei- oadas por numerosos pesquisadores. Entretanto, as regras s so vlidas dentro de certos limites, especialmente no que se refere a extenso e a uniformidade da curva granulomtrica. Fora desses limites, ser necessrio proceder a ensaios visando verificar a estabilidade dos filtros. 0 s critrios dependem ainda dos gradientes hidrulicos mximos, assim como do sentido do fluxo de percolao (ascendente, descendente ou horizontal). Por outro lado, essas regras de filtro se tornam pouco aplicveis, em termos tcnicos e econmicos, quando o material a ser protegido constituido por solos essencialmente argilosos, j que, nesse caso, o material de filtro se tomaria extremamente fino, coesivo e fissurvel, o que deve ser evitado a qualquer custo, quando se trata de proteger o ncleo de uma barragem de terra ou enrocamento. Ia Regra:

F1 5 4, - Dimetro da partcula do filtro, para o qual 15% em peso -


O mecanismo de funcionamento do filtro est representado na figura abaixo

e foi retido pelas partculas B,, do prprio solo.

Filtro

3a Regra: Recomenda-se escolher material de filtro com uma curva granulomtrica, aproximadamente paralela a curva do material a ser protegido, o que pode ser traduzido pelas seguintes expresses (U.S Army Corps of Engineers):

1'50 25B50 e I;,, < 20B,,

4a Regra: Os filtros no devem conter mais do que 5% de material mais fino que 0,074mm (peneira 200) e ainda devem ser isentos de partculas argilosas, a fi m de no serem coesivos.

5a Regra:

';I s Quando um tubo perfurado colocado no

2 2 interior do filtro, as aberturas do tubo,devem Ahrrlrrrn nrhxrrilo


EXEMPLO DE ESPECIFICAO DE UM FILTRO Na figura abaixo est representada a curva granulomtrica mdia de um solo onde ser instalado um dreno. Est representada ainda a curva granulomtrica de uma areia que oferece condies logisticas e econmicas para ser utilizada como filtro ou material de transio no dreno. A drenagem ser obtida por meio de tubos com orifcios de 1,25mm (112). Pede-se verificar a possibilidade de verificar de utilizao da areia no filtro e a eventual necessidade de projetar-se mais uma camada no dreno.

SOLUO: Caractersticas das curvas granulomtricas:

Solo de Fundao Areia Natural

B85 0,100mm 1,oomm


) Verificao das condies limites da areia: Limites de Fls

Limite superior de F50

Inferior F~~ = 5 B~~

A areia satisfaz aos critrios de filtro do material de base e suas curvas granulomtricas so paralelas.

Superior ' O menor dos seguintes valores

Para que o filtro possa estar em contacto com o tubo de drenagem deve ter o dimetro D85, satisfazendo a condio: De5 > 2 x 112 = 25,4mm o que no ocorre. Logo, deve-se interpor, entre o tubo e a camada de areia, uma camada de material mais grosso.

A escolha da granulometria desse material deve obedecer os mesmos critrios anteriores, considerando a areia como material de base, ou seja, o material a ser protegido.

Chega-se a:

Escolheu-se o material F2, para atender a condio de paralelismo e que apresenta:

15 = 1,40mm e Da5 = 40mm

DIMENSIONAMENTO DOS DRENOS Para aplicar os mtodos racionais e experimentais da Mecnica dos Solos, a anlise da perco-

l ago atravs de drenos, devem ser executados os seguintes procedimentos: identificao de todas as fontes possveis de gua que pode penetrar no dreno. considerao das condies hidrulicas no interior do dreno elaboraao de um projeto de dreno que garanta uma condutividade hidrulica (K.A), suficiente para transportar as guas captadas,sob um gradiente aceitvel.


AVAL~AO DAS VAZES DE GUA

\ n qat - vazo captada atravs do macio da barragem

qf - vazo captada atravs da fundao

q = q,t + qf vazo a ser eliminada pelo dreno

Os valores de q,t e qf podem ser determinados pela construo de redes de fluxo pelas funda6es e ombreiras e pelo prprio macio da barragem.

DETERMINAO DA SEO DE VAZO DO DRENO Supondo-se que a percolao no interior do filtro ocorre em regime laminar, aplica-se a equao de Darcy:

q = K.i.A onde, q = vazo perwlando pelo meio poroso K= coeficiente de permeabilidade i = gradiente hidrulico A = seo transversal, perpendicular a direo do fluxo

Escrevendo-se a equao de Darcy sob a forma q 1 i = K.A, a relao q I i representa a conductibilidade ou transmissibilidade do dreno.

O dimensionamento do dreno deve ser feito de acordo com a combinao mais favorvel em termos construtivos e mais ewnmica em termos de custo, da rea drenante A e do coeficiente de pemeabilidade K.

Assim, segue-se o roteiro: fixar o valor de I no interior dos drenos, pelos processos aproximados como usual, levando em conta as exigncias de estabilidade do talude de jusante. verificar os materiais drenantes naturais disponveis, com seus respectivos coeficientes de permeabilidade. calcular a rea drenante A, com as diversas combinaes dos materiais drenantes. 0 s resultados assim obtidos devero ser analisados sob o aspecto econmico a fim de verificar se as solues obtidas so aceitaveis.

A permeabilidade do material drenante pode ser obtido em laboratrio com um ensaio de permeabilidade, realizado com a areia compactada.

A tabela seguinte fornece valores tpicos de permeabilidade de diversos tipos de materiais empregados como filtro.

OBRAS DE TERRA BARRAGENS - ANTEPROETO DA SEO TRANSVERSAL - 25

VALORES T~PICOS DE COEFICIENTES DE PERMEABILIDADE

Penneabilidade

Cascaiho limpo, fino a grosso

Cascalho fino, uniforme

Areia mdia, uniforme

Areia limpa, bem graduada

Areia fina, uniforme

Areia siltosa, bem graduada

Argila (30 a 50% i 2m)

No que se refere ao gradiente hidrulico i dentro do dreno, fixado pela configurao geomtrica da seSo transversal da barragem.

Para dimensionamento do dreno horizontal, adota-se, geralmente, valores de i da ordem de 0,005 a 0,15, ou considerando a expressSo deduzida da equao de Darcy, admitindo-se o escoamento laminar.


Drenos aproximadamente verticais so dimensionados com i = 1,O. Na figura a capacidade de descarga do dreno q,=K,.i,.A,. Para drenos aproximadamente verticais, i, pode ser tomado como h, / 4, o qual aproximadamente igual a unidade.

Se a vazo a ser drenada elevada, a utilizao de um nico material filtrante wode conduzir a esoessuras do ~~

dreno excessivas e anti-econmicas.Para aumentar-se a conductibilidade do drno empregam-se os seguintes recursos:

+drenas de filtros graduado, consistindo de duas ou mais camadas de diferentes materiais, conhecido pelo nome de sanduiche. Cada camada sucesiva escolhida de modo,que satisfaa os critrios de drenos j expostos. Como a espessura necessria da camada granular inversamente proporcional ao seu coeficiente de permeabilidade, os drenos sanduiche so mais econmicos que os de uma s camada.

+uma reduo sensivel da espessura total de um dreno pode ser obtida pela adoo do dreno sanduiche, incorporando-se uma camada de material altamente permevel ou tubo metlico perfurado. Nesse caso, o dreno sanduiche constituido por dois elementos que tem fun6es totalmente diferentes: as camadas externas de material fino atuam como filtros de transio e a camada interna de material grosso atua como dreno propriamente dito.

Em muitos casos, a espessura mnima necessria no fixada pelas exigncias hidrulicas, mas sim pelas imposies construtivas. O mtodo de dimensionamento hidrulico, pela aplicao da lei de Darcy ao fluxo pelo dreno, incorpora um fator de segurana, multiplicando a seo drenante, determinada pelos clculos, por um fator que em geral varia de 10 a 100, dependendo da confiabilidade das hipteses adotadas. Esses valores elevados so justificados pelo fato que as incertezas relativas as permeabilidades variam na escala logartmica.

ESQUEMA DE UM FILTRO DE CAMADAS

Detalhe 2

Areia artificial

V>

Detalhe 1

maria josé - introdução ao estudo das barragens de terra parte 1

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